【正文】 對灰斗優(yōu)化設(shè)計問題，我們首先應(yīng)對優(yōu)化設(shè)計任務(wù)進行詳細分析，收集有關(guān)資料，搞清所優(yōu)化的機械產(chǎn)品應(yīng)達到什么樣的性能要求，并要綜合考慮產(chǎn)品制造的工藝性、可靠性、產(chǎn)品的制造成本、工作條件和用戶的需求等因素。在灰斗應(yīng)力分布中，這些加強筋消耗的材料很多，如果能夠減少它們的數(shù)量，將極大提減小 灰斗重量。改進一，加縱向加強筋。由于 k 是小于 1 的數(shù)，因此夾角越大，只越大。 分別考慮灰斗在負壓和滿載灰時結(jié)構(gòu)受力特點。 灰斗在工作過程中，應(yīng)當防止強度破壞，但更突出的問題是結(jié)構(gòu)變形問題。 在相關(guān)的灰斗設(shè)計資料中，并沒有規(guī)定正常運行工況下和偶然故障工況下的灰斗壁板設(shè)計標準，因此設(shè)計時只按偶然故障工 況計算。每個豎向支承點均約束豎向位移 。對于復(fù)雜幾何模型而言，這種分網(wǎng)方法省時省力，但缺點是單元數(shù)量通常會很大 ，計算效率降低。當 KEYOPT(1)=1 時，每個節(jié)點有七個自由度，這時引入了第七個自由度（橫截面的翹曲）。它是通過四個節(jié)點、四個厚度、彈性支座剛度和正交各向異性的材料性質(zhì)來定義。 第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 18 SHELL 63 單元支持應(yīng)力剛化和大繞度，不支持大應(yīng)變， 僅能通過實常數(shù)定義厚度。但由于灰斗幾何形狀復(fù)雜，經(jīng)典的殼體理論難以求解，故長期以來工程中都是把灰斗分解成梁、板構(gòu)件，加勁肋之間的板按四邊簡支板計算，加勁肋則按梁來考慮。此時灰斗壁板除法向受積灰荷載外，切向也受積灰荷載而使灰斗壁板受拉。 在灰斗跨距過大時，在灰斗內(nèi)部自上而下布置多層水平撐管（圖 43）。優(yōu)化設(shè)計的一般過程可以用下圖 31 來表示。狀態(tài)變量可能會有上下限，也可能只有單方面的限制，即只有上限或下限。 一個合理的設(shè)計是指滿足所有給定的約束條件（設(shè)計變量的約束和狀態(tài)變量的約束 ）的設(shè)計。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 有三個基礎(chǔ)： 一是計算機技術(shù)；二是結(jié)構(gòu)分析的方法；三是數(shù)學規(guī)劃的理論。 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計思想 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗和判斷提出設(shè)計方案，隨后用力學理論對給定的方案進行分析、校核。 ③ 直接操作法 ④ 語言描述法 ⑤ 參數(shù)化有限元建 模方法 在以上參數(shù)化的幾何造型系統(tǒng)中 ， 設(shè)計參數(shù)的作用范圍是幾何模型，但若進行有限元分析計算，需要將其導(dǎo)入有限元分析軟件，轉(zhuǎn)化為有限元模型才行。將所有作用在單元上的力 (表面力、體積力、集中力 )等效的移置為節(jié)點載荷，這樣就可以采用力學的變分原理，獲得單元的平衡方程組。通過切片功能可以獲得所分析模型在任何平面的結(jié)果。 ANSYS 的后處理過程緊接在前處理和求解過程之后，通過友好的用戶界面，用戶可以很容易地獲得求 解過程的分析結(jié)果并對這些結(jié)果進行運算，這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等。從使用選擇的角度來說，網(wǎng)格劃分可分為系統(tǒng)智能劃分與人工選擇劃分 2 種。在 ANSYS 程序中，坐標系統(tǒng)用于定義空間幾何結(jié)構(gòu)的位置、節(jié)點自由度 的方向，材料特性的方向。 ① 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型 。風道中部布置有通長的斜隔板，斜隔板下方為含塵氣體進入通道，斜隔板上方為潔凈氣體排出通道 ?；叶窞榘謇呓Y(jié)構(gòu)，懸掛于下框架頂梁，灰斗頂平面有剛度很強的水平支撐，跨距較大時，灰斗內(nèi)部也可加水平支撐。除塵器在正第二章 袋式除塵器簡介 8 壓狀態(tài)下工作，由于含塵氣體先經(jīng)過風機，對風機的磨損較嚴重，因此不適用于高濃度、粗顆粒、高硬度、強腐蝕性的粉塵。 （ 1）下進風袋式除塵器。 （ 1）內(nèi)濾式袋式除塵器。 ： 按濾袋形狀分類，可分為圓袋式除塵器和扁袋式除塵器兩類。在外加電場的情況下，可加強靜電作用，提高除塵效率。 ④ 黏附作用 當含塵氣體接近濾布時，細小的粉塵仍隨氣流一起運動，若粉塵的半徑大于粉塵中心到濾布邊緣的距離時，則粉塵被濾布粘附而被捕集。對于針刺氈或起絨濾布，由于氈或起絨濾布本身構(gòu)成厚實的多孔濾層，可以比較充分發(fā)揮篩分作用，不全依靠粉塵層來保持較高的除塵效率。 袋式除塵器的過濾機理 袋式除塵器的 除塵過程主要是由濾袋完成的。脈沖的高壓空氣通過開口濾袋的頂端噴入袋內(nèi)，引起濾袋外側(cè)的煙塵脫落。 袋式除塵器的突出優(yōu)點是除塵效率高，屬高效除塵器，除塵效率一般大于99%。研究袋式除塵器灰斗在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力及變形，與其材料所能承受的最大應(yīng)力極限相比較，從而判斷袋式除塵器結(jié)構(gòu)是否滿足強度、剛度要求。 本課題研究內(nèi)容 利用 ANSYS 軟件建立了 灰斗的殼體 模型 ,基于整體結(jié)構(gòu)設(shè)定邊界條件 ,定義約束 ,進行有限元靜力分析計算。 ③ 袋式除塵器自動控制系統(tǒng) 袋式除塵器的自動控制已普遍采用 PLC 機，工控機（ IPC）也已進入這一領(lǐng)域。特氟綸濾料已有少量應(yīng)用。上鋼五廠新建100 噸電爐采用這種設(shè)備處理風量 萬 m3/h，排塵濃度為 8～ 12mg/m3，設(shè)備阻力低于 1200Pa，噴吹壓力 ≤ ，清灰周期長達 75min，運行三年多，濾袋和脈沖閥膜片尚未破損，過濾面積為 11716m2。武斷地降低耗鋼量，使結(jié)構(gòu)變得輕巧，可能帶來結(jié)構(gòu)安全隱患；盲目地追求結(jié)構(gòu)安全，提高結(jié)構(gòu)重量，可能造成大量浪費。 ① 耗鋼量。隨著鋼材價格的上漲，除塵器本體鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)合理性的問題較為突出，而對除塵器本體鋼結(jié)構(gòu)的研究卻明顯不足。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果。 保密 □ ，在 年解密后適用本授權(quán)書。 關(guān)鍵詞 ： ANSYS；結(jié)構(gòu)優(yōu)化； 有限元分析 ；參數(shù)化建模；袋式除塵器； 灰斗 Abstract II Analysis and Optimization of pluse fabric filter’ Bucket Structural Which Based On Ansys Abstract With the increasingly severe environment, there is growing attention to environmental issues. As a high efficient gas dust collector equipment, large scale bag filter is used more and more widely. The current studies of large scale bag filter are mainly focused on process aspects. But rarely on steel structure. With the price of steel rising, the mechanical performance and steel consumption of steel structure of large scale bag filter became an increasingly prominent problem. This paper may give and cut cost for design some direction to economize steels amp。 ② 安全問題。 袋式除塵器自 1881 年問世至今 ,已經(jīng)得到很大發(fā)展。例如以長袋脈沖袋式除塵器的核心技術(shù)為基礎(chǔ)，強化過濾、清灰和安全防爆功能，形成高濃度煤粉收集技術(shù)，已成功用于煤磨系統(tǒng)的收粉工藝，并在武鋼、鞍鋼等多家企業(yè)推廣應(yīng)用。 表面過濾材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，是更為積極的進步，連袋式除塵的機理都有所變化。 由于大型袋式除塵器的體積龐大 ,結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,傳統(tǒng)的設(shè)計方法是對其結(jié)構(gòu)進行較大的簡化后利用材料力學作簡單的校核計算 ,因此往往造成基礎(chǔ)參數(shù)和安全系數(shù)選擇較大 ,結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)確定具有一定的盲目性和保守性 ,以致消耗材料過多 ,成本增加 ,而且設(shè)計周期長 ,不能快速響應(yīng)客戶需求。 本課題研究方案 ① 利用有限元分析軟件 ANSYS 的 CAD 及 CAE 功能對袋式除塵器灰斗進行結(jié)構(gòu)分析。用這些材料織造成濾布，再把濾布縫制成各種形 狀的濾袋，如圓形、扇形、波紋形或菱形等。 脈沖噴吹袋式除塵器 是以壓縮空氣為清灰動力，利用脈沖噴吹機構(gòu)在瞬間釋放出壓縮空氣，誘導(dǎo)數(shù)倍的二次空氣高速射入濾袋，使濾袋急劇膨脹，依靠沖擊振動和反向氣流而清灰的袋式除塵器。噴吹氣源壓力高于 者稱為高壓噴吹。對于新濾布，由于纖維之間的空隙很大，這種效果不明顯，除塵效率亦低。這種擴散作用與慣性作用相反，隨著過濾氣速的降低而增大，粉塵粒徑的減小而增強。所以，靜電作用能改善或妨礙濾布的除塵效率。在除塵器中，袋式除塵器的類型最多，根據(jù)其特點可進行不同的分類 。圖 22 中 a 是扁袋式袋式除塵器，濾袋形狀為扁平形，厚度及濾袋間隙為 25~50mm，高度為 ~,深度為 300~500 ㎜。脈沖噴吹，回轉(zhuǎn)反吹等清灰方式多采用外濾形式。 ： 按除塵器內(nèi)的壓力分類，可分為負壓式除塵器和正壓式除塵器 兩類。除塵器結(jié)構(gòu)主要由下 框架、中箱體 (慮袋室 )、風道、上箱體和平臺爬梯 5 大部分組成，其中上箱體又分為潔凈室箱體和提升閥箱體。上箱體為鋼框架加維護板結(jié)構(gòu)，底板為花板，用來懸掛濾袋，頂板為檢修門框和檢修門 。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS 開發(fā)。 前處理模塊主要實現(xiàn) 3 種功能：參數(shù)定義、實體建模與網(wǎng)格劃分。每種方法有其獨特的特點和優(yōu)點。ANSYS 程序還提供了一個有效的稀疏矩陣求解器，它既可用于線性分析，又可用于非線性分析。可以獲得等值線顯示、變形形狀以及檢查與解釋分析的結(jié)果和列表，也提供許多其它功能。 有限元法求解步驟 有限單元法的解題思路可簡述為 :從結(jié)構(gòu)的位移出發(fā)，通過尋 找位移和應(yīng)變，應(yīng)變與應(yīng)力，應(yīng)力與內(nèi)力，內(nèi)力與外力的關(guān)系，建立相應(yīng)的方程組，從而由已知的外力求出結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力和位移。 參數(shù)化建模 參數(shù)化設(shè)計是當前 CAE 技術(shù)的重要研究領(lǐng)域之一，它是指設(shè)計對象 的結(jié)構(gòu)形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來約定尺寸的關(guān)系，參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸有顯然的對應(yīng)，設(shè)計結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動的影響，即通過改變模型的幾何尺寸參數(shù)值來改變模型的幾何形狀，所以也稱參數(shù)尺寸驅(qū)動。 有限元分析的標準過程包括：定義模型及其載荷、求解和解釋結(jié)果。 隨著計算機的發(fā)展，結(jié)構(gòu)分析能力和手段的不斷完善，數(shù)學尋優(yōu)技術(shù)的提高，結(jié)構(gòu)優(yōu)化已成為計算力學中員活躍的分文之一，其研究已有很多綜述報道。也就是說，最優(yōu)設(shè)計方案是一個最有效的方案。 ① 設(shè)計變量（ DVS），優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變設(shè)計變量的數(shù)值來實現(xiàn)的，每個設(shè)計變量都有上下限，它定義了設(shè)計變量的變化范圍。 優(yōu)化過程 第三章 ANSYS 軟件與有限元思想簡介 14 優(yōu)化過程 是尋找給定函數(shù)取極大值 (以 max 表示 )或極小 (以 min 表示 )的過程。 第三章 ANSYS 軟件與有限元思想簡介 15 圖 32 ANSYS 軟件建模和優(yōu)化設(shè)計的示意圖和流程 參數(shù)設(shè)定 建立參數(shù)化幾何模型 局部參數(shù)化分網(wǎng) 施加載荷及邊界條件 運行計算 除塵器幾何模型的合理簡化 導(dǎo)出分析文件 確定目標函數(shù) 設(shè)定設(shè)計變量和狀態(tài)變量范圍 選擇優(yōu)化方法 優(yōu)化分析 目標函數(shù)收斂 滿足約束條件 輸出優(yōu)化結(jié)果 修改設(shè)計變量 否 否 是 是 將優(yōu)化結(jié)果與原始設(shè)計進行分析對比 為工程設(shè)計提出參考 運用 APDL 語言建立參數(shù)化有限元模型 運用 ANSYS進行數(shù)值模擬 第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 16 第四章 袋式除塵器灰斗結(jié)構(gòu)分析 灰斗的結(jié)構(gòu)形式 從外形來分，灰斗主要分為錐形灰斗和船型灰斗 （圖 41） ?；叶分袩o積灰或積灰很少時，灰斗主要受負壓作用，負壓作用為灰斗壁板的法向荷載。當積灰為主要荷載時，灰斗內(nèi)水平撐管受拉。 灰斗基本參數(shù) 表 ： 灰斗基本參數(shù)（單位 mm） 灰斗參數(shù) 頂面 底面 高 錐角 5780*5720 300*300 5000 60176。它 也具備了應(yīng)力硬化和大變形能力。 Beam188 是三維線性（ 2 節(jié)點）或者 二次梁單元。在 ANSYS 中，網(wǎng)格劃分有三個步驟：定義單元屬性（包括實常數(shù)）、在幾何模型上定義網(wǎng)格屬性、劃分網(wǎng)格。 施加約束 上部殼體結(jié)構(gòu)對圈梁結(jié)構(gòu)的作用不計。灰斗積灰可分為正常運行工況和偶然故障工況。 灰斗積灰重心以下距離 S（ m）切向壓力計算公式： ?? c o ss in)1( kPP vt ?? （ 45） 其中， SPv ?? 是單位水平面上的豎向壓力標準值，取灰斗頂面與底面的平均值； )2/45(2 ??? otgk 為貯料側(cè)壓力系數(shù)； 法向壓力計算公式： vn PP ?? （ 46） 其中， ? 為壓力系數(shù)，查其附錄 D 可得。 鋼材密度設(shè)置為 ，打開重力加速度開關(guān)，重力加速度設(shè)置為 m/s2 以此來考慮灰斗